基于PLC的正火炉回火炉自动控制系统设计.docx

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基于PLC的正火炉回火炉自动控制系统设计

浙江纺织服装学院

ZHEJIANGTEXTILE&FASHIONCOLLEGE

毕业设计

课　　题：

基于PLC的正火炉回火炉自动控制系统设计

学院：

机电与信息工程学院

设计时间：

2009-9-4

班　　级：

07机电

学　　号：

0705020431

姓　　名：

鲁秀春

指导教师：

王昕

目录

摘要1

Abstract2

1.控制系统的设计思想2

2.设计任务2

3.设计要求2

4.正火炉回火炉介绍2

5.控制系统3

6.控制要求3

7.PLC相关介绍4

8.控制系统流程图6

9.I/O分配7

9.1输入7

9.2输出7

9.3PLC选型及输入输出信号编排7

10.硬件接线图8

11.正火自动控制程序13

结束语15

参考文献15

基于PLC的正火炉回火炉自动控制系统设计

鲁秀春

（浙江纺织服装学院机电与信息学院，浙江宁波）

摘要：

根据货梯的基本设计思想，结合实际的PLC，设计了正火炉回火炉自动控制系统设计方案，并且从一定角度说明了该方案的合理性

关键词：

PLC;自动控制;正火炉;回火炉;

ThedesignofAnnealingstoveandNormalizingfurnaceAutomaticcontrolsystembasedonPLC

LuXiu-chun

（ThedepartmentofElectricalandMechanicalEngineering,

ZhejiangTextileandFashionCollege,Ningbo，china）

Abstract:

AccordingtothebasicdesignoftheAnnealingstoveandNormalizingfurnace,combinedwiththeactualPLC,AutomaticcontrolsystemschemeofaAnnealingstoveandNormalizingfurnaceisdesigned,anditisfeasiblefromacertainperspectiveinindustrialcontrolareas.

Keywords:

PLC,Automaticcontrol,Annealingstove,Normalizingfurnace

1控制系统的设计思想

在以PLC控制为核心、三相调压模块为基础的温度自动控制系统中，PLC将锅炉内胆温度设定值与温度传感器的测量值之间的比较，从而调节加热器加热，实现温度自动控制的目的。

2设计任务

用PLC控制正火炉回火炉，完成模拟量输入和模拟量输出的PLC控制

3设计要求

（1）、按下启动按钮,系统开始工作，按下停止按钮，系统停止工作；

（2）、当装有需加温工件的小车进入炉堂，工件温度小于设定温度时，小车保持不动，火炉继续加温；

（3）、当装有需加温工件的小车进入炉堂，工件温度大于或等于设定温度时，小车从火炉内自动运行到炉外；

（4）、设计PLC硬件电器连接图；

（5）、画出系统操作流程图，设计PLC控制程序，包括绘出程序框图、状态转移图以及写出指令程序，另外程序必须加以注释说明其作用。

4正火炉回火炉介绍

被控对象为锅炉内胆温度，温度传感器检测锅炉内胆的温度信号，转换成4～20mA电信号，经AI-808变送器将电流信号转换成1～5V的电压信号送入PLC模块。

PLC把这个测量信号与设定值比较得到偏差，经PLC运算后，发出控制信号，控制三相移相SCR调压装置。

三相移相SCR调压装置采用三相可控硅移相触发装置，输入控制信号为4～20mA标准电流信号，其移相触发角与输入控制电流成正比。

输出交流电压用来控制电加热器的端电压，从而实现锅炉温度的连续控制。

5控制系统图如图5-1所示

图5-1正火炉回火炉控制系统图

6控制要求

（1）初始状态

电动机M1=M2=OFF，小车停在SQ3位置，SQ3发光管亮，SQ4发光管灭，火炉门关闭SQ2亮，SQ1灭，电炉丝关断即OFF状态。

（2）起动操作

按下启动按钮，开始下列操作：

1）电动机M2正转，炉门打开，SQ2灭。

2）当炉门全部打开时，SQ1亮，M2停车。

3）当M2停车时，M1正转，SQ3灭，运送工作的小车进入炉堂。

4）当小车到达SQ4位置时，SQ4亮，M1停车，同时M2反转，SQ1灭，当火炉关闭时SQ2亮。

5）处于室温的炉堂通过温度传感器将温度转换成电压信号，由ST接口将模拟的电压信号输入给PLC，在PLC内部与温度设定值进行比较和计算，PLC的模拟量输出口VC的输出电压接通电炉丝，小车上的工件开始加热，工件需要加热的温度可根据工艺要求来设定，例如1000℃，其设定值由PLC的另一个模拟的输出口输入给PLC。

6）当炉温达到设定值1000℃时，保温一段时间。

按下停止键后电炉丝关断停止加热，同时电动机M2正转，SQ2灭，炉门打开，SQ1亮，同时M2停车。

7）当M2停车时M1开始反转，SQ4灭，小车推出炉堂，达到SQ3位置时，SQ3亮，M1停转，工件开始自然冷却。

与此同时M2反转，SQ1灭，炉门关闭，SQ2亮，M2停转回到初始状态。

经过一段时间后工件温度下降到室温，完成了工件的正火。

7PLC相关介绍

（1）PLC的发展

在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。

传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。

1968年美国通用汽车公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称ProgrammableController（PC）。

个人计算机（简称PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为ProgrammableLogicController（PLC）。

上世纪80年代至90年代中期是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为30~40%。

在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。

PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。

PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。

（2）PLC的构成

从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。

固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。

模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。

（3）CPU的构成

CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。

进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。

在使用者看来，不必要详细分析CPU的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。

CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。

但工作节奏由震荡信号控制。

运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。

寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。

CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，IO数量及软件容量等，因此限制着控制规模。

（4）I/O模块

PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。

I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。

输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。

I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。

常用的I/O分类如下：

开关量：

按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。

模拟量：

按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。

除了上述通用IO外，还有特殊IO模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。

按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。

（5）电源模块

PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。

同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。

电源输入类型有：

交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VDC）。

（6）底板或机架

大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：

电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。

（7）PLC系统的其它设备

编程设备：

编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。

小编程器PLC一般有手持型编程器，目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器。

也就是我们系统的上位机。

人机界面：

最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面非常普及。

8控制系统流程图如图8-1所示

图8-1控制系统流程图

9I/O分配

（1）输入

启动按钮X0

停止按钮X1

SQ1X2

SQ2X3

SQ3X4

SQ4X5

模拟量反馈输入（ST）WX10

模拟量给定输入（设定值）WX9

（2）输出

M1电机正转Y0

M1电机反转Y1

M2电机正转Y2

M2电机反转Y3

模拟量输出（VC）WY9

（3）PLC选型及输入输出信号编排

正火炉回火炉有8个输入信号，4个输出信号，选择FP1系列PLC。

输入、输出信号及地址编号如下表9-1所示。

表9-1输出信号地址编号

10硬件接线图

根据小车运动控制的要求，可将4个感应行程开关赋予不同的值；同时，将4按钮也对应赋值。

当小车到达某个感应行程开关位置时，该感应行程开关自动闭合或断开。

当小车进入炉堂的同时炉门关闭，然后炉内自动开启加热装置，将小车上的工件加热到一定值，并将这个温度值与设定值进行比较，根据比较的结果对小车上的工件进行继续加热，直到温度达到设定值或设定值以上温度，小车在炉内保温一定段时间后自动移动到炉外进行自然冷却。

由此可得到如图10-1所示的正火炉回火炉自动控制PLC外部接线图：

图10-1PLC外部接线图

11正火自动控制程序

根据设计的要求，按图11-1所示的梯形图输入程序。

附：

温度控制算法：

PID算法：

U（k）=U（k-1）+Kp[a0e（k）-a1e（k-1）+aα2e（k-2）]

其中，U（k）为PID算法的输出量可直接用来输出控制

图11-1正火自动控制梯形图

结束语

本设计中仅仅给出了有关基于PLC正火炉回火炉的硬件设计方案与设计思想，软件设计由同一组的另外一个同学完成，因此，在本设计中将不给出软件设计的具体方案，详细的软件设计方案请参阅同组学生温跃亮、郑荣雷等同学的毕业设计。

通过对基于PLC正火炉回火炉的硬件设计，使我基本上了解了PLC的工作过程以及具体的设计过程，这将为我在今后从事与PLC控制有关的工作奠定一定的基础。

本设计的依据主要来源于有关的资料。

因此，其设计的合理与否，还有待于进一步的验证与提高。

请专家多多指教。

在此，十分感谢我的指导老师王昕老师，在他认真的指导下，使我通过毕业设计，学会了很多关于PLC方面的知识及技能，同时十分感谢同组的其他同学。

参考文献References

[1]常斗南.可编程序控制器[M]，北京:

机械工业出版社，1998

[2]宋伯生.可编程序控制器[M]，北京:

中国劳动出版社，1993

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机械工业出版社，2000

[4]何衍庆.可编程序控制器原理及应用技巧[M]，北京:

化学工业出版社，1998

[5]王也平.可编程序控制器原理及应用[M]，成都:

西南交通大学出版社，1994

[6]汪晓光.可编程序控制器原理及应用[M]，北京:

机械工业出版社，1994